南海北部边缘盆地氮气气源追踪与判识

何家雄，颜 文，崔 洁，马文宏，祝有海，龚晓峰，张景茹

（1中国科学院边缘海地质重点实验室；2广东省技术经济研究发展中心）

（3中海石油有限公司湛江分公司勘探开发部；4中国地质科学院矿产资源研究所）

南海北部边缘盆地氮气气源追踪与判识

何家雄1，颜 文1，崔 洁2，马文宏3，祝有海4，龚晓峰1，张景茹1

（1中国科学院边缘海地质重点实验室；2广东省技术经济研究发展中心）

（3中海石油有限公司湛江分公司勘探开发部；4中国地质科学院矿产资源研究所）

南海北部边缘盆地油气勘探中陆续发现较丰富的二氧化碳 (CO2)和氮气(N2)等非烃气气藏，同时亦发现了一些含N2、富N2的天然气层。这些CO2和N2非烃气主要富集于西北部边缘莺歌海盆地中央泥底辟带新近系及第四系浅层中。根据N2地质地球化学特征，可将本区N2划分为大气成因、壳源型有机成因和壳源型有机-无机混合成因三种主要成因类型。结合温压双控热模拟岩石产氮气实验结果，以及N2等非烃气在平面上分区分块、剖面上分带分层的局部性富集特点，追踪判识并确定N2气源主要由来自不同成熟演化阶段的中新统及上新统海相泥岩气源岩的N2与多种物理化学和岩石脱气作用所形成的无机N2相互混合而构成。

南海北部；新近系；古近系；海相气源岩；氮气；气体成因；成因类型

南海北部边缘盆地天然气勘探自20世纪90年代以来，不仅发现了较大规模的烃类气藏，亦陆续发现了一些储量及资源量规模大的CO2气藏及高含CO2气藏，同时还发现了一些含N2或富N2的天然气层。这些非烃气主要分布于盆地西北部边缘莺歌海盆地中央泥底辟带新近系及第四系浅层粉细砂岩储层之中。鉴于这些非烃气在该区分布的普遍性和特殊性，近20年来国家及中国海洋石油总公司，对这些非烃气的成因、地质地球化学特征以及运聚成藏规律等开展了系统研究，取得很多重要的认识与研究成果［1-15］，但由于氮同位素分析技术及研究方法不太成熟和规范，可借鉴的国内外研究成果亦较少，因此对于非烃气N2成因类型及地质地球化学特征与气源构成等诸方面的研究和认识程度仍然较低，迄今尚处在分析探索之中。

氮气（N2）是天然气中常见的非烃组分之一，其成因及来源较为复杂，判识难度亦较大，且N2气源比CO2等其他非烃气及烃类气更为广泛，这无疑给N2气源追踪对比及判识增加了极大的难度。但由于其物理化学性质比其它非烃气体更接近烃类气，故其成因及分布规律常常与烃类气体存在一定的成因耦合关系，且其运聚成藏要素及富集规律亦与烃类气具有一定的相似性，即必须具备生、运、聚、圈、保等基本地质条件。因此，研究N2的成因来源及其分布富集规律，不仅可以与烃类气成因及运聚成藏规律的研究有机地结合起来，而且可以通过伴生烃类气及其它非烃气(如CO2)的成因分析来综合判识与确定N2成因及气源构成特点。

南海北部边缘盆地迄今仅在西北部的莺歌海盆地新近系及第四系钻遇富N2天然气，且获得了较多氮气地质地球化学分析资料。鉴于此，笔者在对N2与CO2富集的莺歌海盆地中央泥底辟带新近系与第四系浅层N2的成因类型及地质地球化学特征研究［16］和对N2相对成熟度（主要借助伴生烃类气的成熟度判识）研究的基础上，以N2可能的气源岩——新近系不同层位海相泥岩——温压双控热模拟实验所获N2产率为主要依据，结合研究区N2等非烃气平面上分区分块、剖面上分带分层的局部性富集特点，重点对N2气源的构成特点与气源追踪等进行综合剖析与研究。

1 氮气成因类型

根据N2的地质地球化学特征和N同位素组成，以及与其伴生的稀有气体He、Ar同位素特点，采用国内外较实用和较通用的成因类型划分方法［17-19］，可将南海西北部莺歌海盆地中央泥底辟带浅层新近系及第四系砂岩气藏的N2划分为大气成因、壳源有机成因及壳源有机-无机混合成因等三种主要类型。火山幔源成因的N2在该区尚未钻遇和发现。关于氮气的成因类型，笔者已对此作过判识评价［16］，此处不再赘述。本区各类成因氮气的地球化学特征详见表1。

2 氮气成熟度与气源判识

对于N2相对成熟度的判识，可以借助与它伴生的烃类气的成熟度之间的相互关系，以及与它伴生的稀有气体He同位素值的高低，间接地从中获得其成熟度相对值的信息。亦即，从N2—3He/4He关系图（图1）和N2—δ13C1关系图（图2）中可以大致判识与确定南海西北部莺歌海盆地中央泥底辟带新近系及第四系浅层气藏含N2或富N2天然气的成熟度。

由图1可以看出，富N2天然气成熟度相对较低，N2大于10%以上的天然气，其伴生氦值 (3He/4He)偏低，且随N2含量增加，氦值逐渐递减；而当N2小于10%，则氦值逐渐递增。已有研究表明，氦值的高低表征了大地热流值的大小［20］，因此N2与3He/4He值伴生且呈规律性变化（富N2天然气与低氦值伴生；低N2、含N2天然气与高氦值伴生），表明了与低氦值伴生的富N2天然气成熟度要比与高氦值伴生的低含N2或含N2天然气(N2＜10%)的成熟度要低。

由N2—δ13C1关系图（图2），可进一步判识与确定富N2天然气和（低）含N2天然气的成熟度。在图2中，富N2天然气所伴生烃类气样品点群，其δ13C1值主要分布于-56.0‰～-32.0‰的区间，成熟度相当于有机质成熟度(Ro)为0.47%～1.18%的范围，即为有机质低成熟—成熟演化阶段。而该富N2天然气中（即壳源型有机成因)的N2及低含量有机成因CO2等非烃气(N2＞15%，CO2＜9%)，则是来自生物低温化学作用与低成熟—成熟热演化阶段的产物。（低）含N2天然气（即壳源型有机与无机混合成因N2），成熟度相对较高，且与无机CO2伴生（图3)。在N2—δ13C1关系图（图2）上，（低）含N2天然气及所伴生烃类气的样品点群，δ13C1值主要分布于-36.6‰～-26.9‰的区间，其成熟度相当于Ro为1.00%～1.43%的范围，即为成熟—高熟阶段的产物。

基于以上氮气构成与成熟度的特点，笔者认为该区壳源型有机成因富N2天然气之氮气源应与低含量有机成因的CO2及烃类气同源，且均为上新统—中新统莺歌海组—黄流组及中新统梅山组—三亚组海相泥岩有机质在低熟—成熟演化阶段之产物。而壳源型有机-无机混合成因N2（低含N2、含N2天然气）的气源则主要由来自该套海相泥岩在成熟—高熟晚期阶段所形成的含N2产物与多种物理化学及岩石脱气作用所形成的无机N2相互混合而成。

必须强调指出的是，岩石脱气作用及多种物理化学作用产氮，是形成N2气源不可忽视的重要因素。大量研究及实验均表明，无论何种岩石，均含有一定数量的氮，其中尤以沉积岩、煤及硝盐中含氮量最高，一般均大于1000×10-6，最高可达100000×10-6以上［21］，很显然，这些富含氮的岩石，在一定的物理化学环境和热力作用下，必然会脱放和逸出大量的氮，这些氮在储、运、圈、保等条件具备时，则可富集形成N2气藏。另外，含N2非烃气在长距离运聚过程中，亦可沿运移途径中适宜的圈闭富集成藏，由此也能指示和追踪烃类天然气的运聚方向［22］。

3 岩石热模拟产氮实验与气源判识

为了进一步判识与确定N2气源，笔者采集了南海西北部莺歌海盆地及邻区琼东南盆地的第三系不同区带不同层位泥岩及前第三系基底碳酸盐岩样品，开展了温压双控条件下的岩石产氮气热模拟实验，热模拟温阶从100℃到550℃（相当Ro=0.55%～3.33%以上），获取的N2产率及N2含量变化特征非常明显。从不同区带、不同层位的泥岩和基底碳酸盐岩平均最大N2产率（550℃温阶）的对比结果（表2）可明显看出，莺歌海盆地泥底辟构造带乐东区上新统莺歌海组一段(N2y1)及莺东斜坡带的下中新统三亚组(N1s)海相泥岩的平均产N2率最高，分别可达7.30 m3/t和7.84 m3/t；上新统莺歌海组二段(N2y2)及中中新统梅山组(N1m)海相泥岩次之，其产N2率亦分别达4.14 m3/t和5.45 m3/t。而邻区琼东南盆地古近系渐新统崖城组(E3y)煤系泥岩产N2率最低，平均仅0.17 m3/t；琼东南盆地前古近系基底碳酸盐岩和莺歌海盆地莺东斜坡带的前古近系基底碳酸盐岩产N2率一样，均为3.08 m3/t。

由热模拟实验结果来看，研究区氮气的主气源应来自上新统莺歌海组一段和中新统梅山组、三亚组。

4 氮气气源追踪与综合判识

综上所述，不同类型岩石温压双控热模拟产N2实验结果，结合研究区地质条件与氮气成因类型及其特点，可以对研究区不同区带及层位不同岩类产N2潜力及N2气源等进行进一步的综合分析与判识（表2）。即：莺歌海盆地中央泥底辟带新近系上新统莺歌海组一段与中新统梅山组、三亚组海相泥岩产N2率高，产N2潜力大，应是该区含N2、富N2天然气的主气源。换言之，该区的N2主要来自受泥底辟热流体作用和影响强烈的新近系海相泥岩，这与该区的烃类气相伴生且同源。莺歌海盆地边缘斜坡区及邻区琼东南盆地前古近系基底碳酸盐岩产N2潜力较低，可作为N2的次气源。琼东南盆地古近系渐新统崖城组煤系泥岩产N2率甚低，产N2潜力非常小，基本不具备产N2的能力，故不能提供N2气源。

总之，通过研究区氮气成因类型及气源构成的地质地球化学分析，结合不同类型岩石温压双控热模拟产氮气实验结果，综合判识与确定研究区的含N2、富(高)N2非烃气主要属于壳源有机成因和壳源有机-无机混合成因，少量为大气成因。而壳源型有机成因N2气源与有机成因CO2及烃类气同源，均为上新统莺歌海组一段及中新统梅山组、三亚组海相泥岩有机质在低熟—成熟早期演化阶段的产物。壳源型有机-无机混合成因N2气源，则主要由那套海相泥岩地层在成熟—高熟晚期所形成的含N2产物与多种物理化学及岩石脱气作用所形成的无机N2相互混合而成。

表2 温压双控条件下不同类型岩石产氮气热模拟实验结果与气源判识及综合评价

5 结论与认识

（1）南海北部边缘盆地含氮和富氮天然气(N2＞10%)，主要富集于西北部的莺歌海盆地中央泥底辟带新近系及第四系浅层粉细砂岩储层中。根据氮气地质地球化学特点及伴生烃类气和稀有气体氦、氩的同位素特征，其成因类型可以综合判识划分为壳源有机成因和壳源有机-无机混合成因两种类型，少量为大气成因类型。壳源型有机成因N2与低含量有机成因CO2及烃类气同源。壳源型有机-无机混合成因N2可能与高含量无机CO2同源伴生。

（2）根据南海北部边缘盆地含N2和富N2天然气地质地球化学特征，以及平面上分区分块、剖面上分带分层的局部性分布富集特点，结合温压双控热模拟岩石产氮气实验结果综合判识，可确定研究区的壳源型有机成因富(高)N2天然气，主要为上新统莺歌海组一段及中新统梅山组、三亚组海相泥岩有机质在热演化成熟阶段的产物，而壳源型有机-无机混合成因的低N2、含N2非烃气则主要由多种物理化学及岩石脱气作用形成的无机N2与有机质成熟演化伴生的有机N2相互混合而构成。

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Nitrogen Gas Source Tracking and Distinguishing in Margin Basins,Northern South China Sea

He Jiaxiong,Yanwen,Cui Jie,Ma Wenhong,Zhu Youhai,Gong Xiaofeng,Zhang Jingru

Abundant CO2and N2gas reservoirs and other N2-bearing gas reservoirs are discovered in the Neogene and Quarternary shallow beds of Central Mud diapir Zone in Yinggehai Basin,South China Sea during recent 20 years′oil and gas exploration.According to geological and geochemical characteristics of N2,the N2gas in this area can be divided into three types in genesis,i.e.the atmosphere genesis,the crust organic genesis and the crust-derived organic-inorganic-mixed genesis.Combined with results from the nitrogen-producing experiments under T-and P-controlled thermal simulation and the characteristics of partial enrichment in plane and layering and zoning enrichment in vertical,it is determined the N2gas is tracked to the mixture of the N2that mainly yielded from Pliocene and Miocene marine gas source mudstone during different stages of maturation with the N2that formed from physical and chemical actions and rock degassing.

Paleogene;Neogene;Gas source rock;Nitrogen gas;Gas genesis;Genesis classification;South China Sea

TE112.111

A

2011-03-27；改回日期：2012-05-11

本文受国家自然科学基金项目（编号：41176052）和国家重点基础研究发展计划项目（编号：2009CB219501）联合资助

何家雄：1956年生,博士，研究员。长期从事海洋油气勘探与地质综合研究，先后主持和完成多项中海油、中石油科技攻关项目和国家“八五”、“九五”科技攻关课题以及国家863海洋高新技术课题、973重大基础研究课题等；发表论文130多篇，出版专著2部。通讯地址：510640广州市天河区科华街511号；电话：（020）85292710

10.3969/j.issn.1672-9854.2012.03.010

1672-9854(2012)-03-0067-05

赵国宪

He Jiaxiong：male,Ph.D.,Professor.Add:Key Laboratory of Marginal Sea Geology,CAS,511 Kehua Str.,Guangzhou,Guangdong,510640,China